(57)【要約】【課題】  動的な挙動を示す生体から静止状態のみならず動作状態においても鮮明な画像を得ることを可能とする。【解決手段】  動的な挙動を示す生体Ａの観察対象部位を撮像する撮像手段３と、該撮像手段３と観察対象部位との間に配置される撮像光学系１９と、該撮像光学系１９の焦点位置Ｃを調節する焦点調節手段１７と、生体Ａの動的な挙動を検出する挙動検出手段１６と、該挙動検出手段１６により検出された生体Ａの動的な挙動に基づいて、焦点位置Ｃが観察対象部位に一致するように焦点調節手段１７を制御する制御装置７とを備える生体観察装置を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的な挙動を示す生体の観察対象部位を撮像する撮像手段と、
該撮像手段と観察対象部位との間に配置される撮像光学系と、
該撮像光学系の焦点位置を調節する焦点調節手段と、
前記生体の動的な挙動を検出する挙動検出手段と、
該挙動検出手段により検出された生体の動的な挙動に基づいて、前記焦点位置が観察対象部位に一致するように前記焦点調節手段を制御する制御装置とを備える生体観察装置。
【請求項２】
前記挙動検出手段が、生体の表面位置を検出するセンサである請求項１に記載の生体観察装置。
【請求項３】
前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて焦点距離を変化させる可変焦点レンズを備える請求項１または請求項２に記載の生体観察装置。
【請求項４】
前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて前記撮像光学系の焦点位置を移動させるリニアアクチュエータからなる請求項１または請求項２に記載の生体観察装置。
【請求項５】
生体を載置するステージを備え、
前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて前記ステージを変位させるリニアアクチュエータからなる請求項１または請求項２に記載の生体観察装置。
【請求項６】
前記制御手段が、前記センサにより検出された生体の表面位置から所定距離だけずれた深さ方向位置に撮像光学系の焦点を維持するよう焦点調節手段を制御する請求項２から請求項５のいずれかに記載の生体観察装置。
【請求項７】
前記制御手段が、前記挙動検出手段により検出された生体の動的挙動の履歴を記憶する履歴記憶手段と、該履歴記憶手段に記憶された履歴に基づいて、生体の動的挙動を推定する挙動推定手段とを備え、推定された動的挙動に基づいて前記焦点調節手段を制御する請求項１から請求項６のいずれかに記載の生体観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、生体を生きたまま（in vivo）観察する生体観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学顕微鏡を用いて蛍光プローブによるイオン濃度、膜電位などの可視化が行われるようになっており、例えば標本として神経細胞などの生体機能観察、特に動的挙動の観察が行われるようになっている。
このような動的挙動を観察するものとしては、顕微鏡写真撮影装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−２７５５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の顕微鏡写真撮影装置は、標本の動的な挙動に合わせて写真を撮影するものであるが、カメラの焦点距離を一定に保ちながら、標本の動的な挙動の内の、ピントの合う静止状態を選択的に撮影するものであるため、得られる画像は細切れになり、特に、動いている状態の標本の様子を観察することができないという問題がある。
【０００４】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、動的な挙動を示す生体から鮮明な画像を得ることのできる顕微鏡画像撮影装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、動的な挙動を示す生体の観察対象部位を撮像する撮像手段と、該撮像手段と観察対象部位との間に配置される撮像光学系と、該撮像光学系の焦点位置を調節する焦点調節手段と、前記生体の動的な挙動を検出する挙動検出手段と、該挙動検出手段により検出された生体の動的な挙動に基づいて前記焦点位置が観察対象部位に一致するように前記焦点調節手段を制御する制御装置とを備える観察装置を提供する。
【０００６】
この発明によれば、挙動検出手段の作動により、生体の拍動や脈動、あるいは蠕動のような生理現象による動的な挙動が検出される。生体が動的な挙動を示す場合に、撮像光学系の焦点位置を一定に保つと、画像がブレたり、深さ方向の観察位置が変動してしまったりするが、本発明によれば、挙動検出手段により検出された生体の動的な挙動に基づいて、制御手段が焦点調節手段を制御するので、撮像光学系の焦点位置を生体の観察対象部位に一致させた状態に維持することができる。その結果、生体が静止している状態の画像のみならず、動作している状態の鮮明な画像をも得ることができる。
【０００７】
上記発明においては、前記挙動検出手段が生体の表面位置を検出するセンサであることとしてもよい。センサにより表面位置を検出することで、生体の動的な挙動による変位量を直接得ることができる。したがって、撮像光学系の焦点位置の制御に複雑な演算が不要であり、生体の動的な挙動に、撮像光学系の焦点位置を遅れなく追従させることが可能となる。
【０００８】
また、上記発明においては、前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて焦点距離を変化させる可変焦点レンズを備えることが好ましい。可変焦点レンズによれば、簡易な構成で撮像光学系の焦点位置の調節速度を十分に確保することができる。
【０００９】
また、上記発明においては、前記焦点調節手段が、前記撮像光学系の焦点位置を移動させるリニアアクチュエータからなることとしてもよい。
また、上記発明においては、生体を載置するステージを備え、前記焦点調節手段が、前記制御装置からの制御信号に基づいて前記ステージを変位させるリニアアクチュエータからなることとしてもよい。
リニアアクチュエータとしては、ピエゾモータやボイスコイルモータ等の高速アクチュエータがあり、簡易な構成で撮像光学系の焦点位置の調節速度を十分に確保することができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記制御手段が、前記センサにより検出された生体の表面位置から所定距離だけずれた深さ方向位置に撮像光学系の焦点を維持するよう焦点調節手段を制御することとしてもよい。
観察対象部位が生体の表面下にある場合に、焦点調節手段を制御してセンサによる検出位置から深さ方向に所定距離だけずれた位置に焦点位置を維持することにより、生体の表面の変動に追随して変位する観察対象部位に焦点を合わせた状態に維持して、画像を取得することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、前記制御手段が、前記挙動検出手段により検出された生体の動的挙動の履歴を記憶する履歴記憶手段と、該履歴記憶手段に記憶された履歴に基づいて、生体の動的挙動を推定する挙動推定手段とを備え、推定された動的挙動に基づいて前記焦点調節手段を制御することとしてもよい。
例えば、拍動のように所定の周期で発生する振動の場合には、履歴記憶手段に記憶された履歴に基づいて推定することで、撮像光学系の焦点位置をさらに高速に観察対象部位に追随させて、より鮮明な画像を取得することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、動的な挙動を示す生体を生きたまま観察する際に、生体の動的な挙動に焦点位置を追従させて撮像し、より多くの情報を含む観察結果を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の第１の実施形態に係る生体観察装置について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る生体観察装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と光検出器（撮像手段）３とを備える光学ユニット４と、該レーザ光源２からのレーザ光および光検出器３への蛍光を伝播する光ファイバ５と、該光ファイバ５により伝播されてきたレーザ光を実験小動物等の試料Ａに走査し、試料Ａから発せられた蛍光を受光して光ファイバ５まで導く測定ヘッド６と、測定ヘッド６の焦点位置を制御する制御装置７とを備えている。
【００１４】
前記光学ユニット４には、コリメートレンズ８とダイクロイックミラー９とが備えられている。レーザ光源２から発せられたレーザ光は、コリメートレンズ８によって一旦平行光にされた後、ダイクロイックミラー９を透過させられて、再度コリメートレンズ８によって光ファイバ５の一端５ａに集光させられるようになっている。一方、光ファイバ５の一端５ａから発せられた蛍光は、ダイクロイックミラー９によって反射されて集光レンズ１０によって光検出器３に集光され検出されるようになっている。
【００１５】
前記測定ヘッド６は、光ファイバ５により伝播されてきたレーザ光を平行光に変換するコリメート光学系１１と、平行光を偏向して２次元方向に走査する光走査部１２と、該光走査部１２から発せられた光を中間像位置Ｂに結像させる瞳投影光学系１３と、中間像を形成した光を再度平行光に変換する結像光学系１４と、中間像を試料Ａの観察対象部位に再結像させる対物光学系１５と、測定ヘッド６と試料Ａの表面との距離を測定する距離センサ１６とを備えている。前記コリメート光学系１１には、該コリメート光学系１１を構成するレンズの一部または全部を光軸方向に移動させるリニアアクチュエータ１７が備えられている。光走査部１２は、例えば、相互に直交する２つの軸回りにそれぞれ回転可能な２枚のガルバノミラー１２ａ，１２ｂを備えている。
【００１６】
前記リニアアクチュエータ１７は、例えば、ピエゾモータにより構成されている。
また、前記光検出器３は、例えば、光電子増倍管（Photomultiplier Tube）である。
なお、光検出器３はモニタ１８に接続され、撮像された蛍光画像を表示するようになっている。
【００１７】
前記制御装置７は、前記距離センサ１６からの検出信号を受けて、測定ヘッド６と試料Ａ表面との距離をリアルタイムで演算し、リニアアクチュエータ１７の変位指令をリニアアクチュエータ１７に対して出力するようになっている。
また、制御装置７には、前記コリメート光学系１１から対物光学系１５までを含む撮像光学系１９の焦点位置Ｃを所定距離だけオフセットさせるオフセット機能が備えられている。
【００１８】
このように構成された本実施形態に係る生体観察装置１の作用について以下に説明する。
レーザ光源２から発せられたレーザ光は光ファイバ５内を伝播させられて測定ヘッド６内に入り、コリメート光学系１１によって平行光に変換された後、光走査部１２によって偏向され、瞳投影光学系１３、結像光学系１４および対物光学系１５を介して、試料Ａに結像され、そこで蛍光を発生させる。試料Ａにおいて発生した蛍光は、対物光学系１５、結像光学系１４、瞳投影光学系１３、光走査部１２およびコリメート光学系１１を経て光ファイバ５内を光学ユニット４に戻り、ダイクロイックミラー９によってレーザ光源２方向に向かう光軸から分離されて光検出器３に検出され、モニタ１８に表示されることになる。
【００１９】
この場合に、実験小動物等の試料Ａの観察を開始するには、まず、レーザ光を試料Ａに照射して、試料Ａ表面における反射光を検出し、モニタ１８に表示する。作業者は、モニタ１８を見ながら撮像光学系１９の焦点位置Ｃが試料Ａ表面に一致するように操作する。試料Ａ表面は脈動しているので、例えば、脈動の間の略静止状態において焦点位置Ｃを試料Ａ表面に一致させればよい。そして、焦点位置Ｃが試料Ａ表面に一致した時点で制御装置７による制御を開始する。
【００２０】
距離センサ１６は、測定ヘッド６と試料Ａ表面との距離を測定しているので、制御装置７は、焦点位置Ｃが試料Ａ表面に一致した状態の測定ヘッド６（本実施形態の場合は測定ヘッド６に固定された距離センサ１６の先端面）と試料Ａ表面との距離Ｌを基準として、そこからの試料Ａ表面の脈動による変位量ΔＬを得ることができる。そして、このΔＬだけ、試料Ａ表面の変位方向と同一方向に焦点位置Ｃを変位させるようにコリメート光学系１１を移動させるようリニアアクチュエータ１７を作動させることにより、焦点位置Ｃを試料Ａ表面に一致させた状態に維持することができる。特に、本実施形態に係る生体観察装置１においては、リニアアクチュエータ１７として高速のピエゾモータを使用しているので、脈動による変動にもかかわらず、焦点位置Ｃを試料Ａ表面に高速かつ精度よく追従させることができる。
【００２１】
実際には、観察対象部位は、試料Ａ表面から深さ方向に所定距離Ｄだけ深い位置に配置されているので、オフセット機能を利用してコリメート光学系１１を移動させ、図２（ａ）に鎖線で示すように焦点位置をＤだけずらす。これにより、試料Ａの脈動により試料Ａ表面がΔＬだけ変位したことが制御装置７において算出されると、図２（ｂ）に示されるように、リニアアクチュエータ１７の作動により焦点位置ＣもΔＬだけ変位させられるので、焦点位置Ｃは、試料Ａ表面下、距離Ｄの位置に維持されることになる。
【００２２】
すなわち、本実施形態に係る生体観察装置１によれば、試料Ａの動的な挙動を距離センサ１６により検出して、撮像光学系１９の焦点位置Ｃを、試料Ａ表面下、距離Ｄの位置に配される観察対象部位に一致するようにリアルタイムに調節するので、ブレを抑えた鮮明な画像を得ることができる。また、動的な挙動を示す試料Ａの静止状態のみならず動作状態における画像を得ることもできるので、試料Ａから得られる情報を無駄なく取得することができる。
【００２３】
なお、本実施形態に係る生体観察装置１においては、コリメート光学系１１を移動させるリニアアクチュエータ１７としてピエゾモータを採用したが、これに代えて、ボイスコイルモータ等の他の任意の高速リニアアクチュエータを採用してもよい。また、コリメート光学系１１により焦点位置Ｃを調節することとしたが、これに代えて、図３に示されるように、対物光学系１５をリニアアクチュエータ１７により移動させることで焦点位置Ｃを調節することにしてもよい。
また、リニアアクチュエータ１７により、光ファイバ５の先端部を光軸方向に移動させることにしてもよい。
【００２４】
また、コリメート光学系１１や対物光学系１５をリニアアクチュエータ１７により移動させる方法に代えて、図４に示されるように、コリメート光学系１１または対物光学系１５を構成するレンズの一部に、レンズ体内部に充填した液体の圧力を変化させてレンズ体表面の形状を変化させることで、焦点位置Ｃを変化させる可変焦点レンズ２７を採用してもよい。この場合、可変焦点レンズ２７に接続するピエゾ素子２８のようなリニアアクチュエータを備え、制御装置７からの移動指令により可変焦点レンズ２７への加圧力を制御することにより、焦点位置Ｃを変化させることにしてもよい。
【００２５】
また、反射型の対物光学系等を採用する場合には、可変焦点ミラー（図示略）を採用することにしてもよい。さらに、距離センサ１６を対物光学系１５外部に配置する例について説明したが、対物光学系１５と同一のハウジング内に内蔵してもよい。
【００２６】
また、観察の開始時に目視でピント合わせを行うこととしたが、例えば、検出した画像のコントラストを演算し、コントラストが最も高い位置にリニアアクチュエータ１７を変位させることにより、自動焦点合わせを行うことにしてもよい。
さらに、試料Ａの動的挙動を検出する手段として距離センサ１６を採用したが、これに代えて、他の脈動検出手段、例えば、心電検出器、超音波検出器、音センサ（エレクトレッド・コンデンサ・マイク：ECM）、光干渉断層計（Optical
Coherence Tomography：OCT）、スペックルを用いた面外変位計測装置等を採用してもよい。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る生体観察装置について、図５を参照して説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る生体観察装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を簡略化する。
【００２８】
本実施形態に係る生体観察装置２０は、水平に配されるベース２１と、該ベース２１から鉛直方向に延びる支柱２２と、該支柱２２に取り付けられ、前記測定ヘッド６を支持するアーム２３と、ベース２１に固定され、試料Ａを載置するステージ２４とを備えている。ステージ２４試料Ａを水平２方向に移動させるＸＹテーブル２５と、該ＸＹテーブル２５を上下方向に移動させる昇降機構２６とを備えている。前記測定ヘッド６は、ステージ２４の上方に間隔をあけて光軸を鉛直下向きに配置している。
【００２９】
本実施形態に係る生体観察装置２０においては、測定ヘッド６側に焦点調節手段を備えておらず、ステージ２４の昇降機構２６により焦点調節手段が構成されている点において第１実施形態に係る生体観察装置１と相違している。
前記制御装置７は、測定ヘッド６に設けられた距離センサ１６からの情報を受け取って、該距離センサ１６からの出力変動がゼロになるように、前記昇降機構２６に上下方向の移動指令を出力するようになっている。
【００３０】
このように構成された本実施形態に係る生体観察装置２０によれば、第１の実施形態に係る生体観察装置１と同様に、試料Ａの動的な挙動に関わらず、動作状態の試料Ａのブレを抑えた鮮明な画像を得ることができる。また、これに加えて、測定ヘッド６側において焦点位置Ｃを調節する第１の実施形態とは異なり、試料Ａの動的挙動に応じて焦点位置Ｃにおける動的挙動をキャンセルするようにステージ２４を上下動させるので、振動を嫌う撮像光学系１９を固定したままで済むという利点がある。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る生体観察装置３０について、図６を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る生体観察装置３０は、制御装置７において上記第１、第２の実施形態に係る生体観察装置１，２０と相違している。
【００３２】
本実施形態に係る生体観察装置３０の制御装置７は、図５に示されるように、距離センサ１６からの位置情報を逐次受け取って、所定の基準距離Ｌに対する試料Ａ表面の変動距離ΔＬｎを算出する変動距離算出部３１と、該変動距離算出部３１において算出された変動距離ΔＬｎと、クロック３２から発せられる時刻情報ｔｎとを受け取って、両者を対応づけて記憶することにより試料Ａの動的挙動の履歴を記憶する履歴記憶手段３３と、該履歴記憶手段３３に記憶された履歴に基づいて、次のステップにおける変動距離の推定値ΔＬｎ＋１を算出する変動距離推定部３４と、前記実際の変動距離ΔＬｎまたは変動距離の推定値ΔＬｎ＋１のいずれかを選択する切替手段３５と、これら変動距離ΔＬｎまたは変動距離推定値ΔＬｎ＋１のいずれかに基づいて焦点位置移動指令を算出する移動指令算出部３６とを備えている。
【００３３】
このように構成された本実施形態に係る生体観察装置３０によれば、距離センサ１６からの位置情報が制御装置７に入力されると、変動距離算出部３１において該位置情報に基づいて試料Ａ表面の変動距離ΔＬｎが算出される。試料Ａの動的挙動の履歴が作成される迄の間、変動距離算出部３１において算出された変動距離ΔＬｎはそのまま、リニアアクチュエータ１７等の焦点調節手段への焦点位置移動指令の算出の基礎とされ、焦点位置移動指令算出部３６からΔＬｎに基づいて算出された移動指令が出力される。この場合において、変動距離算出部３１において算出された変動距離ΔＬｎはその変動距離ΔＬｎが発生した時刻ｔｎとともに履歴記憶手段３３に入力されて図６に示されるような動的挙動の履歴として記憶される。
【００３４】
例えば、心臓の拍動のように略一定の周期で発生する動的挙動は、急激に変化するものではなく、ある程度の履歴を考慮することにより次の挙動を予測することができる。変動距離推定部３４においては、履歴記憶手段３３に記憶された履歴に基づいて、次の変動距離推定値ΔＬｎ＋１を算出して出力する。推定は、例えば、過去数周期分の変動距離の平均や、周波数の増減等に基づいて行われることとすればよい。
【００３５】
そして、所定の時間が経過した後、あるいは、必要に応じて切替手段３５が作動させられて、変動距離推定値ΔＬｎ＋１を選択することにより、変動距離推定値ΔＬｎ＋１が焦点調節手段への移動指令の算出の基礎とされることになる。すなわち、本実施形態に係る生体観察装置３０によれば、試料Ａの動的挙動の履歴に基づいて予め次の動的挙動を推定するので、機構部の遅れや演算の遅れ等により、実際の動的挙動に対して焦点位置の調節動作がずれることを防止して、試料Ａの動的挙動に、さらに精度よく焦点位置を追従させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る生体観察装置を示す全体構成図である。
【図２】図１の生体観察装置の焦点位置調節を説明する図である。
【図３】図１の生体観察装置の変形例を示す全体構成図である。
【図４】図１の生体観察装置の他の変形例を示す全体構成図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る生体観察装置を示す全体構成図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る生体観察装置の制御装置を示すブロック図である。
【図７】図５の制御装置において作成される生体の動的挙動の履歴を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
Ａ  試料（生体）
Ｃ  焦点位置
１，２０，３０  生体観察装置
３  光検出器（撮像手段）
７  制御装置
１６  距離センサ（挙動検出手段）
１７  リニアアクチュエータ（焦点調節手段）
１９  撮像光学系
２４  ステージ
３３  履歴記憶手段
３４  挙動推定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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